Операционная система UNIX

Рис. 6.29. Сетевая подсистема BSD UNIX

Модуль IP

Сетевой интерфейс получает пакеты данных из сети и передает их соответствующему модулю сетевого уровня на основании информации, содержащейся в заголовке кадра уровня канала. В данном разделе мы не будем рассматривать поддержку различных сетевых протоколов, а остановимся только на взаимодействии с протоколом IP. В этом случае полученные пакеты помещаются в очередь приема модуля IP. После этого с помощью программного прерывания вызывается процедура ip_input, которая поочередно извлекает пакеты из очереди и обрабатывает их. После обработки на основании информации заголовка IP-датаграммы данные либо передаются протоколу транспортного уровня, либо уничтожаются, если в данных обнаружена ошибка, либо передаются другому интерфейсу для последующей отправки фактическому адресату. В последнем случае система выполняет роль шлюза.

Датаграмма считается адресованной данному хосту, если адрес получателя совпадает с одним из адресов интерфейса данного хоста, или адрес получателя является широковещательным (или групповым) адресом данной сети. В случае получения фрагментированной датаграммы модуль производит ее реассемблирование. Для этого отдельные фрагменты собираются в специально организованной очереди, пока не будет сформирована исходная датаграмма. После этого данные передаются транспортному протоколу. Для демультиплексирования модуль IP использует поле Protocol заголовка, которое по существу является индексом таблицы, каждый элемент которой представлен коммутатором протокола, рассмотренного ранее в этой главе. Соответственно модуль IP имеет возможность непосредственно вызвать функцию pr_input требуемого протокола следующего уровня.

В случае, когда полученная датаграмма не содержит ошибок, но не адресована данному хосту, она, возможно, должна быть передана на другой сетевой интерфейс для последующей передачи фактическому адресату. Эта процедура носит название шлюзования (forwarding) и включает выполнение следующих шагов:

 Производится проверка разрешения шлюзования. [87] В случае отрицательного результата хост не может выполнять функции шлюза и данные уничтожаются.

87

Возможность передачи на другой интерфейс определяется установкой соответствующего флага при конфигурации сетевой подсистемы (модуля IP). Например, в операционной системе SCO UNIX за это отвечает настраиваемый параметр ядра ip_forwarding.

 Производится проверка адреса получателя. Если адрес датаграммы не принадлежит адресному пространству сетей класса А, В или С, такие данные не могут быть переданы. [88]

 Определяется дальнейший маршрут передачи датаграммы.

 Если дальнейший путь датаграммы проходит через тот же интерфейс, с которого она была получена, и хост-отправитель расположен в той же сети, ему отправляется сообщение ICMP REDIRECT.

 Производится вызов функции ip_output, выполняющей передачу датаграммы хосту-адресату или соседнему шлюзу для дальнейшей передачи.

88

Адреса сетей класса D — групповые (multicast) адреса — используются для создания специальных наложенных сетей (Multicast backbone, Mbone), предназначенных для таких приложений, как видео-, аудиоконференции и т.п. Обработка таких датаграмм выполняется, как правило, специальными демонами отдельно от стандартных функций шлюзования. Если в системе включена поддержка групповых адресов, данные с указанными адресами будут передаваться этим демонам, которые и выполнят логическое шлюзование/передачу.

При выполнении этих функций модуль IP может обнаружить несколько ошибочных ситуаций, например, отсутствие маршрута для датаграммы или невозможность передачи данных из-за переполнения в сети. В этих случаях модуль формирует соответствующее сообщение ICMP и передает его отправителю датаграммы. Эти сообщения ICMP и причины их отправки приведены в табл. 6.9.

Таблица 6.9. Сообщения ICMP

Сообщение	Причина
DESTINATION UNREACHABLE	Невозможно доставить датаграмму. Причин может быть несколько: 1. Отсутствует маршрут к сети 2. Отсутствует маршрут к хосту 3. Для передачи необходима фрагментация, но в заголовке установлен флаг DF (Don't Fragment)
SOURCE QUENCH	Переполнение сети. Шлюз передает это сообщение, запрашивая отправителя на уменьшение скорости передачи данных
TIME EXCEEDED	Тайм-аут. Причины могут быть две: 1. Истекло время жизни датаграммы в сети (TTL=0) 2. Произошел тайм-аут реассемблирования, т.е. через определенный промежуток времени получены не все фрагменты датаграммы

При вызове функции ip_output ей передается датаграмма, которую необходимо отправить, указатель на маршрут (структура route, хранящаяся в управляющем блоке), а также флаги (например, указание не использовать маршрутизационные таблицы). Передача маршрута не является обязательной. Если функции не передан указатель на маршрут, будет использован маршрут из таблицы маршрутизации. В противном случае будет произведена проверка переданного маршрута, и при необходимости его значение будет обновлено для последующего использования.

Функция ip_output может быть вызвана и модулем транспортного протокола (UDP или TCP). Каким образом это происходит, описано в следующем разделе.

Модуль UDP

Вернемся к рассмотрению ситуации, когда датаграмма адресована нашему хосту, не содержит ошибок (по крайней мере, с точки зрения IP) и должна быть передана транспортному протоколу. Поскольку целью данного раздела является иллюстрация схемы взаимодействия между модулями, рассмотрим более простой протокол UDP.

Итак, IP-модуль направляет датаграмму модулю UDP, вызывая функцию udp_input, адрес которой был получен из соответствующего коммутатора протокола. Сначала функция udp_input проверяет правильность контрольной суммы и допустимость установленных полей заголовка. Если указанные проверки закончились неудачно, пакет "молчаливо" уничтожается. Далее определяется получатель пакета. Для этого на основании адресов и номеров портов отправителя и получателя производится поиск соответствующего управляющего блока протокола. [89] В системе могут существовать несколько управляющих блоков с одинаковым номером локального порта, но с различными адресами и/или номерами портов отправителя. В этом случае выбирается блок, для которого найдено лучшее совпадение по всем четырем параметрам. Конечно, лучшим является точное совпадение, но если такового не найдено, будет выбран блок с совпадающим номером локального порта, но неуказанным адресом и/или номером порта отправителя. Таким образом, управляющий блок, у которого не указаны часть или все четыре параметра, является получателем всех пакетов, для которых не найдено лучшего совпадения. [90]

89

Функции udp_input передается целиком датаграмма, включающая заголовок IP, заголовок UDP и данные протоколов верхнего уровня (приложений). Помимо того что эта информация необходима для определения адресата, по заголовку IP вычисляется контрольная сумма UDP. Такой подход гарантирует максимальную точность доставки данных нужному приложению.

90

Возможность создания таких получателей "по умолчанию" используется в сетевом суперсервере inetd, который прослушивает все запросы и при необходимости запускает требуемый сервис (например FTP или Telnet). Это позволяет избежать запуска серверов без необходимости и тем самым сократить потребление ресурсов.

Если управляющий блок найден, данные и адрес отправителя помещаются в буфер приема сокета, связанного с управляющим блоком. В противном случае генерируется сообщение ICMP PORT UNREACHABLE.

Передача данных от приложения инициируется системным вызовом sendto(2), который на уровне сокета преобразуется в вызов функции udp_usrreq с запросом PRU_SEND. Если передача инициирована системным вызовом sendto, то вместе с данными передается адрес получателя. Если же данные были переданы с помощью системного вызова send(2), то адрес получателя определяется из управляющего блока, где он был сохранен предшествующим вызовом connect(2). [91]

91

Протокол UDP не предусматривает предварительного установления связи с получателем данных. Поэтому, в отличие от TCP, вызов connect(2) не приводит к формированию управляющих сообщений и обмену ими между сторонами. В данном случае он служит лишь для сохранения адреса получателя в управляющем блоке.

Фактическая передача осуществляется функцией udp_output, которая формирует заголовок пакета, устанавливает значения его полей и вычисляет контрольную сумму. После этого производится вызов уже рассмотренной ранее функции ip_output.

Модуль TCP

Как следует из предшествующего описания TCP, этот транспортный протокол обеспечивает гораздо более высокое качество передачи, чем UDP. Соответственно, его реализация также является гораздо более сложной. В предыдущих разделах уже встречались различные алгоритмы, используемые при реализации протокола. В этом разделе мы остановимся на одном важном механизме TCP — его таймерах.

Поскольку корректное функционирование протокола во многом зависит от порядка обмена управляющими сегментами, каждый канал обслуживается набором таймеров, позволяющих восстановить работу по тайм-ауту в случае потери управляющих пакетов. Эти таймеры хранятся в соответствующем управляющем блоке протокола TCP и, при их установке, обслуживаются [92] каждые 500 миллисекунд функцией tcp_slowtimo.

Для обеспечения передачи данных используются два таймера. Первый из них — таймер повторной передачи (retransmit timer). Этот таймер запускается при передаче сегмента, если он уже не был запущен. Если подтверждение получено, и отсутствуют неподтвержденные данные — таймер останавливается. Если же такие данные существуют, значение таймера присваивается равным начальному, и таймер запускается снова. Если значение таймера становится равным нулю, наиболее старые неподтвержденные данные передаются повторно (как минимум один полный сегмент), а таймер запускается снова, но уже с большим значением. Скорость увеличения значения таймера (timer backoff) определяется по специальной таблице и имеет экспоненциальный характер.

92

Обслуживание таймера заключается в уменьшении установленного значения и уведомлении модуля, когда значение таймера становится равным нулю.